Ačkoli se mechanismus fungování procesorů (CPU) může zdát tajemný, ve skutečnosti je výsledkem desítek let důmyslného inženýrství. S tím, jak se tranzistory – základní prvky všech mikročipů – zmenšují do mikroskopických rozměrů, stává se jejich výroba stále náročnější.
Fotolitografie: Klíč k výrobě miniaturních tranzistorů
Tranzistory jsou dnes tak nepatrné, že jejich výroba běžnými metodami není možná. I když špičkové soustruhy a dokonce i 3D tiskárny dokáží vytvářet úžasně komplexní objekty, obvykle dosahují přesnosti v řádu mikrometrů (což je přibližně jedna třicetitisícina palce), což je nedostačující pro nanometrové rozměry, ve kterých se moderní čipy vyrábějí.
Fotolitografie elegantně řeší tento problém tím, že eliminuje potřebu extrémně precizního pohybu komplikovaných strojů. Místo toho využívá světlo k „vyrytí“ obrazu na čip – podobně jako klasický zpětný projektor, ale s opačným efektem, kdy se šablona zmenšuje na požadovanou přesnost.
Obraz se promítá na křemíkovou destičku, která je s mimořádnou přesností zpracovávána v kontrolovaných laboratořích, protože i nepatrná částečka prachu na destičce může znamenat ztrátu tisíců dolarů. Destička je pokryta fotocitlivou vrstvou, která reaguje na světlo a je následně smyta, čímž vznikne „leptaný“ vzor pro CPU. Tento vzor je pak vyplněn mědí nebo dopován pro vytvoření tranzistorů. Tento postup se mnohokrát opakuje, čímž se CPU vytváří po vrstvách, podobně jako 3D tiskárna nanáší vrstvy plastu.
Úskalí nanometrové fotolitografie
Zmenšení tranzistorů na nanometrové rozměry sebou přináší i řadu fyzikálních výzev. Tranzistory mají za úkol blokovat tok elektřiny, když jsou vypnuté, ale s jejich zmenšováním se elektrony začínají chovat nečekaně a mohou procházet přímo skrze ně. Tento jev je známý jako kvantové tunelování a představuje značný problém pro konstruktéry čipů.
Dalším problémem jsou defekty. I fotolitografie má své limity z hlediska přesnosti. Je to podobné, jako když je obraz z projektoru rozmazaný; při zvětšování nebo zmenšování není tak ostrý. V současnosti se výrobní závody snaží tento jev zmírnit použitím „extrémního“ ultrafialového světla, které má mnohem vyšší vlnovou délku, než je lidské oko schopno vnímat, a to pomocí laserů ve vakuové komoře. S dalším zmenšováním rozměrů však tento problém pravděpodobně přetrvá.
Chyby lze někdy částečně řešit procesem zvaným binning – pokud vada zasáhne jádro CPU, toto jádro se deaktivuje a čip se prodává jako méně výkonná verze. Ve skutečnosti se většina CPU vyrábí podle stejného návrhu, ale s deaktivovanými jádry, a prodává se za nižší cenu. Pokud však vada zasáhne mezipaměť nebo jinou klíčovou součást, je nutné takový čip vyřadit, což vede k nižší výtěžnosti a vyšším cenám. Novější výrobní procesy, jako 7nm a 10nm, mají vyšší chybovost, a proto jsou dražší.
Závěrečné balení procesoru
Zabalení CPU pro prodej spotřebitelům neznamená jen vložení čipu do krabičky s trochou polystyrenu. Po dokončení je CPU stále nepoužitelné, pokud se nemůže připojit ke zbytku systému. Proces „balení“ označuje metodu, při které se jemná silikonová matrice, kterou si většina lidí představuje jako „CPU“, připevní k desce plošných spojů.
Tento proces vyžaduje velkou přesnost, ale ne takovou jako předchozí kroky. Matrice CPU se umístí na křemíkovou desku a elektrické spoje se vedou ke všem pinům, které jsou v kontaktu se základní deskou. Moderní CPU mohou mít tisíce pinů, například špičkový AMD Threadripper jich má 4094.
Vzhledem k tomu, že CPU vytváří velké množství tepla a měl by být chráněn i shora, je na horní straně namontován „integrovaný rozvaděč tepla“. Ten přichází do kontaktu s matricí a přenáší teplo do chladiče, který je umístěn na něm. Někteří nadšenci považují teplovodivou pastu používanou pro toto spojení za nedostatečnou, a proto odstraňují integrovaný rozvaděč tepla ze svých procesorů a používají prémiovější řešení.
Jakmile je vše smontováno, může být CPU zabaleno do skutečných krabic a připraveno k prodeji. Vzhledem ke složitosti výroby je až neuvěřitelné, že většina CPU stojí jen několik set dolarů.
Pokud se chcete dozvědět více technických informací o výrobě CPU, podívejte se na vysvětlení na Wikichip o litografických procesech a mikroarchitekturách.